Câu hỏi mở đầu trang 41

Đề bài: Để chỉnh các dây đàn, có thể so sánh âm do đàn phát ra với âm phát ra từ các âm thoa có tần số xác định. Làm thế nào kiểm tra tần số âm được ghi trên âm thoa bằng dụng cụ thí nghiệm?

Lời giải:

Để kiểm tra tần số âm ghi trên âm thoa, ta có thể thực hiện như sau:

• Dùng dao động kí điện tử kết hợp với micro để thu sóng âm do âm thoa phát ra.
• Sóng âm được chuyển thành tín hiệu điện, hiển thị dạng đồ thị (u – t) trên màn hình dao động kí.
• Đo chu kì T của tín hiệu, sau đó tính tần số theo công thức $f = \dfrac{1}{T}$.
• So sánh tần số đo được với tần số ghi trên âm thoa để kiểm tra.

I. Giới thiệu dao động kí điện tử

Hoạt động trang 41

Đề bài: Quan sát màn hình hiển thị tín hiệu dao động điện trên dao động kí (Hình 10.2), hãy xác định tần số dao động của tín hiệu.

Lời giải:

Bước 1: Đọc thông số trên màn hình dao động kí.

Mỗi ô theo phương ngang tương ứng với 1 ms = $10^{-3}$ s.

Bước 2: Đếm số ô tương ứng với một chu kì.

Quan sát Hình 10.2: một chu kì dao động kéo dài 4 ô.

Bước 3: Tính chu kì và tần số.

$$T = 4 \cdot 10^{-3} ; \text{s} = 0{,}004 ; \text{s}$$

$$f = \dfrac{1}{T} = \dfrac{1}{0{,}004} = 250 ; \text{(Hz)}$$

→ Tần số dao động của tín hiệu là f = 250 Hz.

II. Thực hành đo tần số sóng âm

Hoạt động trang 42

Đề bài: Quan sát thí nghiệm Hình 10.4 và thực hiện các yêu cầu sau:

1. Sóng âm truyền tới dao động kí như thế nào?
2. Tại sao tần số dao động của tín hiệu đưa vào dao động kí lại bằng tần số dao động của âm thoa?
3. Thiết kế phương án thí nghiệm để đo tần số sóng âm với các dụng cụ thí nghiệm trên.
4. Làm thế nào để giảm ảnh hưởng của tiếng ồn bên ngoài đến phép đo?

Lời giải:

Câu 1. Sóng âm truyền tới dao động kí như thế nào?

Quá trình truyền tín hiệu gồm các bước:

• Khi gõ vào âm thoa, hai nhánh âm thoa dao động → phát ra sóng âm trong không khí.
• Sóng âm truyền tới micro làm màng micro dao động → micro chuyển dao động cơ thành tín hiệu điện có cùng tần số.
• Tín hiệu điện từ micro được đưa qua bộ khuếch đại để tăng biên độ.
• Tín hiệu sau khuếch đại được đưa vào dao động kí và hiển thị thành đồ thị (u – t) trên màn hình.

Câu 2. Tại sao tần số tín hiệu đưa vào dao động kí bằng tần số dao động của âm thoa?

• Âm thoa dao động với tần số f → tạo sóng âm có cùng tần số f.
• Sóng âm làm màng micro dao động cũng với tần số f → tín hiệu điện do micro tạo ra có cùng tần số f.
• Bộ khuếch đại chỉ làm tăng biên độ của tín hiệu, không làm thay đổi tần số.

→ Vì vậy, tần số tín hiệu hiển thị trên dao động kí bằng đúng tần số của âm thoa.

Câu 3. Thiết kế phương án thí nghiệm:

• Bước 1: Bố trí thí nghiệm như Hình 10.4: đặt âm thoa trên giá đỡ, micro hướng về phía âm thoa và cách âm thoa khoảng 20 cm. Nối micro qua bộ khuếch đại tới dao động kí.
• Bước 2: Bật dao động kí, chọn chế độ TRIGGER là AUTO, điều chỉnh VOLTS/DIV và SEC/DIV phù hợp để quan sát rõ sóng.
• Bước 3: Dùng búa cao su gõ vào âm thoa để âm thoa phát ra âm.
• Bước 4: Quan sát sóng hiển thị trên màn hình, đếm số ô tương ứng với một chu kì để xác định chu kì T.
• Bước 5: Tính tần số $f = \dfrac{1}{T}$.
• Bước 6: Lặp lại thí nghiệm ít nhất 3 lần, tính giá trị trung bình của T và f.

Câu 4. Cách giảm ảnh hưởng của tiếng ồn:

• Tiến hành thí nghiệm trong phòng yên tĩnh, đóng kín cửa.
• Đặt micro gần âm thoa (khoảng 20 cm) để tín hiệu từ âm thoa lớn hơn nhiều so với tiếng ồn.
• Sử dụng bộ khuếch đại để tín hiệu chính rõ hơn so với nhiễu.
• Hạn chế nói chuyện, di chuyển trong khi đo.

Báo cáo kết quả thí nghiệm

Âm thoa sử dụng: ghi tần số 440 Hz (nốt La chuẩn).

SEC/DIV trên dao động kí: 500 μs/ô = $5 \cdot 10^{-4}$ s/ô.

Bảng 10.1. Kết quả đo chu kì và tần số sóng âm

Cách tính (lần 1):

• Quan sát màn hình: 1 chu kì chiếm khoảng 4,5 ô → $T_1 = 4{,}5 \cdot 5 \cdot 10^{-4} = 0{,}00225$ s.
• Tần số: $f_1 = \dfrac{1}{T_1} = \dfrac{1}{0{,}00225} \approx 444$ Hz.

Giá trị trung bình của chu kì:

$$\overline{T} = \dfrac{T_1 + T_2 + T_3}{3} = \dfrac{0{,}00225 + 0{,}00230 + 0{,}00227}{3} \approx 0{,}00227 ; \text{(s)}$$

Giá trị trung bình của tần số:

$$\overline{f} = \dfrac{1}{\overline{T}} = \dfrac{1}{0{,}00227} \approx 440 ; \text{(Hz)}$$

Sai số tuyệt đối trung bình của chu kì:

$$\overline{\Delta T} = \dfrac{|T_1 – \overline{T}| + |T_2 – \overline{T}| + |T_3 – \overline{T}|}{3} \approx 2 \cdot 10^{-5} ; \text{(s)}$$

→ Kết quả: $T = (2{,}27 \pm 0{,}02) \cdot 10^{-3}$ s và $f = (440 \pm 4)$ Hz.

Hoạt động trang 43

Đề bài: So sánh tần số sóng âm vừa đo được với tần số ghi trên âm thoa.

Lời giải:

• Tần số đo được: $\overline{f} \approx 440$ Hz.
• Tần số ghi trên âm thoa: $f_0 = 440$ Hz.
• Sai khác: $|\overline{f} – f_0| \approx 0$ Hz → sai số rất nhỏ.

→ Kết luận: Tần số đo được phù hợp với tần số ghi trên âm thoa. Phép đo bằng dao động kí cho kết quả đáng tin cậy.

Lưu ý: Sai số nhỏ có thể do các nguyên nhân: đọc số ô trên màn hình chưa thật chính xác, ảnh hưởng của tiếng ồn bên ngoài, dụng cụ đo có sai số nhất định.

Em có thể

Sử dụng một số phần mềm trên điện thoại thông minh để chỉnh dây đàn ghi-ta

Lời giải:

Hiện nay có nhiều ứng dụng điều chỉnh dây đàn (guitar tuner) miễn phí trên điện thoại thông minh như: GuitarTuna, Fender Tune, Cifra Club Tuner,…

Cách sử dụng:

• Tải và mở ứng dụng tuner trên điện thoại.
• Đưa điện thoại gần đàn ghi-ta.
• Gảy lần lượt từng dây đàn → ứng dụng dùng micro của điện thoại để thu sóng âm, phân tích và hiển thị tần số của dây đàn.
• So sánh với tần số chuẩn của mỗi dây (E2 – A2 – D3 – G3 – B3 – E4).
• Vặn khoá điều chỉnh dây đàn cho đến khi tần số đo được trùng với tần số chuẩn.

Nguyên lí hoạt động của các ứng dụng này tương tự như thí nghiệm đo tần số bằng dao động kí — đều dựa trên việc thu sóng âm qua micro, xác định chu kì và tính ra tần số.

Thầy Phạm Trần Quốc Anh

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn